Механические свойства горных пород

Из механических свойств горных пород главнейшими являются их сопротивления сжашю и сдвигу. Эти два показателя весьма важ­ны при оценке прочности грунтов для строительных целей, проход­ки горных выработок, рытья котлованов и различных выемок.

Рис. 27. Компрессионные кривые:

1. — образец естественной структуры,

2. — образец нарушенной структуры

Под сжимаемостью грунта сле­дует понимать его способность да­вать осадку под воздействием внеш­ней нагрузки. Грунты различного генезиса и геологического возраста неодинаково реагируют на внешнюю нагрузку. Например, величина осад­ки в песчаных грунтах незначитель­ная и завершается в короткий про­межуток времени. Величина и ско­рость сжатия грунтов зависят от степени насыщения их водой, струк­туры и величины пористости. Уста­новлено, что чем меньше водопро­ницаемость грунтов, тем осадка про­текает медленнее и полностью за­вершается иногда через несколько лет. Величина осадки зависит так­же от размера приложенной на­грузки на 1 см² грунта. Зависи­мость осадки от величины нагрузки выражают компрессионной кривой (рис. 27), для построения кото­рой по оси абсцисс откладывают нагрузку в ньютонах на квадрат­ный метр, а по оси ординат — осадку в миллиметрах.

При возведении сооружения вся нагрузка от его массы и давле­ния ветра передается на нижнюю часть здания — фундамент, осно-

68

Рис. 28. Компрессионный прибор

вание которого закладывается ниже глубины промерзания грунта. Чем меньше площадь фундамента, тем больше величина осадки. Заложение фундамента на больших глубинах уменьшает величину осадки, так как с глубиной породы имеют большую уплотненность. Если осадка породы происходит под зданием равномерно, то она не является опасной для его сохранности. Величина осадки должна быть установлена до постройки здания и учтена в проекте. Допу­стимая величина осадки для различных зданий определяется ут­вержденными нормами и колеблется от нескольких единиц до не­скольких десятков сантиметров. Неравномерная осадка различных частей здания приводит к нарушению нормальной его эксплуатации и даже разрушению.

Величина осадки пород в основа­нии сооружений может быть определе­на в лаборатории при помощи комп­рессионных приборов (рис. 28), а в полевых условиях посредством штам­пов (рис. 29). В лаборатории сжимае­мость грунта определяется в приборах с надежными стенками, исключающи­ми боковое его расширение. Для сво­бодного выхода выжимаемой из поро­ды воды в верхней и нижней частях прибора устанавливаются пористые прокладки.

Рис. 29. Штамп для опытных нагрузок в поле

Методика лабораторных и полевых определений величины осадки пород изложена в специальных руководствах по устройству фундаментов и в на­стоящем курсе не рассматривает­ся.

Изменение коэффициента пористости пород при нагрузке в 1 кг/см² носит название коэффициента уплотнения (А). Он являет­ся важной характеристикой технических свойств породы. Значение величины А рассчитывается по формуле

(IV-6)

где pi и Р₂ — нагрузки; ei и 82 — соответствующие им коэффициен­ты пористости.

По величине коэффициента уплотнения породы условно разде­ляются на слабосжимаемые (Л<0,01), среднесжимаемые (0,01< <Л<0,05), сильносжимаемые (Л>0,05). Величина А вычисляется для всех ступеней нагрузки.

Помимо коэффициента уплотнения, по данным компрессионных испытаний определяют модуль осадки, или модуль компрессии, в миллиметрах, представляющий величину сжатия слоя породы мощ­ностью в 1 м под нагрузкой Р, выраженной в ньютонах на квадрат-

ный мепр. Эта величина определяется для всех ступеней нагрузки по формуле

(IV-7)

где h — величина, на которую уменьшилась высота образца при полной стабилизации ег'о уплотнения от нагрузки Р; Н — первона­чальная высота образца в м.

Модуль компрессии необходим для расчета осадки породы под влиянием массы сооружения. Действующие в СССР строительные нормы (в кгс/см²) приведены в табл. 3.

ТАБЛИЦА 3

Название породы	Степень влажности
	насыщенные водой	влажные	слабовчажные
	5 3,0 2,0 1,0 1,5 2,0 3,5 4,5 6,0	10 4,0 3,5 1,5 2,0 2,5 4,0 5,0 6,5	25—40 15—30 15 5,0 4,5 2,0 2,5 3,5 4,5 6,0 7,0
Осадочные (сцементированные) . . .
Суглинки моренные
Супеси
Мелкозернистые пески
Среднезернистые пески
Гравий .

Вторым важным показателем прочности пород является сопро­тивление сдвигу. Этот показатель складывается из двух частей — трения и сцепления. На величину трения и сцепления влияет ми­нералогический и механический состав, влажность, структурные связи между частицами и их агрегатами, способ приложения на­грузки, генезис пород и подготовка их к испытанию.

Сцепление присуще связным породам (супесь, суглинки, гли­ны, лёссовидные породы) и является следствием сил молекулярно­го взаимодействия между частицами и цементирующего действия коллоидов. Показателем величины действующих сил в породе яв­ляется коэффициент внутреннего трения и сил сцепления — коэф­фициент сдвига. Методика определения показателей сопротивления пород сдвигу в лабораторных и полевых условиях изложена в спе­циальных руководствах по механике грунтов.

Схема прибора для определения сдвига по одной и двум плос­костям приведена на рис. 30. Данные испытаний пород на сдвиг наносятся на график, на котором на оси абсцисс откладывают нормальные нагрузки, а на оси ординат — сдвигающие усилия. Прямая, изображенная на рис. 31, может быть охарактеризована следующим уравнением:

(IV-8)

70

где b — сопротивление сдвигу в ньютонах; Р — нормальная нагруз­ка в ньютонах на квадратный метр; /—коэффициент внутреннего трения; С—сцепление.

где ф — угол внутреннего трения.

Для связных пород величина С показывает, что даже при от­сутствии давления (Р) необходимо приложить усилие Ь = С, чтобы произошел сдвиг. В рыхлых породах сцепление отсутствует и пря­мая проходит через начало координат (см. рис. 31).

В табл. 4 приведены углы трения и сцепление для некоторых водонасыщенных пород.

Рис. 30. Схема прибора для определения

сопротивления грунтов сдвигу по одной

(А) или двум (Б) плоскостям

Рис. 31. График зависимости со­противления грунтов сдвигу от вер­тикальной нагрузки

ТАБЛИЦА 4

Название породы	Угол трения, град.	Сцепление, кгс/см2
	16	0,4
	20	0,2
Суглинок мягкий	14	0,02
	25
	18
	35
	27

Для песчаных пород важной величиной является угол естест­венного откоса, т. е. максимальный угол наклона откоса к гори­зонту, при котором устойчивость грунта в откосе не нарушается. Величина угла определяется трением между частицами песка и за­висит от их минералогического и механического составов, степени насыщенности водой, окатанности зерен, а также текстуры и струк-

71

туры. Угол откоса определяют по формуле

(IV-9)

где h-—высота откоса в см; а — длина основания откоса в см.

Под водой угол естественного откоса значительно уменьшается. Для мелкозернистых песков он снижается до 12—16°, для крупно­зернистых— до 20—25°. Проектное занижение угла естественного откоса в каналах и выемках ведет к увеличению объема земляных работ и удорожанию стоимости строительства.